AIM
LE CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE E POLIMERICHE .pdf Link 2 AIM Volume 54, numero 3, anno XXV, settembre 2000
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Creation of a Photovoltaic Organic Cell on Fluoropolymeric Substrate to Integrate in Smart Building EnvelopesCreazione di una Cella Organica Fotovoltaica su di un substrato Fluoropolimerico da integrare in involucri intelligenti per edifici.. ISMAC, CNR
In contemporary architecture we note that multi-media, adaptable and smart building surfaces are becoming more and more important, in order to respond to the current and future demand for "green buildings" and also to satisfy all requirements for temporary cultural, entertainment or sporting events.
The research program begins from the hypothesis to apply organic photovoltaic cells as a printable texture onto one of various ETFE (or similar fluoro-polymer) transparent layers of an air-supported building component, in order to achieve two relevant results:
1) to create a smart kind of sun-shading, insulated ETFE cushion;
2) to develop a building component lighter and cheaper than glass, electrically self-sufficient, which can be used in different situations (façades, roofs), self-supporting or supported by a structural frame and able to transform itself into a luminous object during the night.
This building component could be produced and commercialized quickly with the following characteristics:
1. modular and adaptable, for façades and roofing;
2. lightweight and structurally resistant, made of pneumatic technology;
3. multi-chamber insulating cushion, composed of several fluoro-polymeric layers;
4. layers printed with graphic motifs provide sun-shading and sun-screening to varying degrees;
5. energy self-sufficient, integrated with a new kind of organic, flexible and transparent photovoltaic cell.
The ultimate goal of future research would be the fabrication of a new kind of fluoro-polymeric foil integrated with a Smart, Organic, Flexible and Translucent PhotoVoltaic (SOFT-PV) cell. However, our research program proposes the following feasible objectives:
1. the fabrication of a transparent conductive electrode through deposition of carbon nanotube (CNT) suspension onto fluoro-polymeric substrates. CNT will be preferred to ITO as conductive material onto a plastic flexible substrate because of their mechanical flexibility, higher conductivity and lower cost of fabrication. To obtain electrodes having good electrical properties, the resulting CNT films must be composed of clean, exfoliated, aligned, and undamaged tubes with controlled surface coverage.
2. the creation of a demonstrator prototype of a SOFT-PV photovoltaic cell based on poly(3hexylthiophene) PCBM bulk hetrojunction active layer deposited onto a flexible ITO coated PET (PMMA) electrode to be inserted into insulated ETFE cushion. This PV cell will serve as comparison system for future PV cell onto fluoropolymers and permit to develop the prototype of the final building component.
3. the creation of a SOFT PV cell integrated building component model using fluorinated polymers , to predict its optical, thermal and structural performance.
The research program is based on the cross-disciplinary collaboration between Architecture and Building Technology, Material Chemistry and Physics.
Durata: marzo 2010 - febbraio 2010
Coordinatore: Prof. A. Zanelli - Dipartimento di Architettura - Politecnico di Milano -BEST
Partner: Dr. ssa Silvia Destri Istituto per lo Studio delle Macromolecole - ISMAC - CNR Milano
Dipartimento di Fisica -Politecnico di Milano
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Dal Zilio, Simone (2009) Innovative solution in organic photovoltaic devices. [Tesi di dottorato]Soluzioni innovative nei dispositivi fotovoltaici organiciAbstract (italiano)
Il problema energetico sta destando negli ultimi anni sempre maggior interesse e preoccupazione, per il ridursi delle risorse fossili e dal conseguente acuirsi dei problemi d’inquinamento derivanti dal loro quasi esclusivo utilizzo per la produzione di energia elettrica. Non è sorprendente quindi che dal mondo della ricerca un grande sforzo sia dedicato allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica. Attualmente, il silicio possiede una posizione centrale nel panorama delle celle fotovoltaiche: l’elevato costo di questo tipo di tecnologia, derivato dall’alto costo del materiale e dei processi fabbricativi, ha incoraggiato lo sviluppo di soluzioni alternative che si basino su materiali innovativi. Tra queste, grande risalto è stato dato negli ultimi anni alle cosiddette "organic solar cell", basate sull’impiego di semiconduttori organici. Il loro vantaggio risiede nel fatto che questi possono essere depositati, su larghe aree e a costi molto ridotti, in fase liquida, utilizzando quindi metodi tipici dell’industria della stampa nel campo del fotovoltaico ed eliminando così alti costi di materiale e di processo tipici dell’industria a semiconduttore inorganico. L’impiego di film sottili e conseguentemente di poco materiale, contribuisce a rendere il fotovoltaico organico uno dei più quotati candidati per lo sviluppo di una tecnologia solare a basso costo. Una tipologia di celle solari organiche utilizza come materiali
foto attivi i polimeri coniugati; evidenti progressi sono stati compiuti, col raggiungimento di efficienze ragguardevoli, dell’ordine del 4-5%. Purtroppo però, questo non è ancora sufficiente perché la tecnologia possa essere trasferita su scala industriale. Molti sforzi si stanno facendo nell’ambito della ricerca per migliorare l’efficienza di queste celle. Sullo sviluppo e l’impiego di soluzioni alternative e innovative applicabili al campo del fotovoltaico organico, e in particolare polimerico, è concentrata la nostra attività di ricerca. Due percorsi in particolare sono stati investigati, basate sull’impiego di un nuovo sistema per l’intrappolamento in cavità della luce e sull’impiego delle nanotecnologie fabbricative.
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New materials and structures for organic photovoltaic cells with improved efficiency and stabilityNuovi materiali e strutture per le celle fotovoltaiche organiche, con efficienza e stabilita' migliorate
Il progetto riguarda la crescita e lo studio delle proprietà (strutturali, morfologiche, ottiche ed elettriche) di semiconduttori organici con lo scopo di ottenere materiali applicabili in sistemi fotovoltaici. La ricerca sui semiconduttori organici ha portato ad un elevato livello di comprensione delle loro proprietà fondamentali e in particolare della relazione fra proprietà (ottiche ed elettriche) e struttura (molecolare e cristallina). A partire dagli anni 2000 sono stati introdotti nel mercato i primi dispositivi elettroluminescenti (OLED); la comparsa sul mercato di celle fotovoltaiche basate su semiconduttori organici è attesa per i prossimi anni. I problemi che tuttora limitano l'utilizzo di semiconduttori organici in celle fotovoltaiche sono la bassa efficienza (intesa come il rapporto fra potenza elettrica generata e potenza luminosa fornita) e la non provata stabilità nel tempo delle loro prestazioni. I sistemi con più alta efficienza,sono basati su polimeri conduttori miscelati con derivati fullerenici e hanno efficienze attorno al 5-6%, mentre celle fotovoltaiche basate su silicio amorfo hanno un'efficienza del 15% o superiore. Le performance di celle fotovoltaiche organiche basate su miscele polimeriche sono limitate dalla bassa mobilità dei portatori di carica all'interno del materiale semiconduttore, dovuta principalmente alla natura amorfa del materiale e alla presenza di numerosi centri di trappola. Per ovviare a questo problema, intendiamo preparare cristalli singoli, cristalli misti ed eterostrutture basate su semiconduttori organici ad elevata mobilità, in modo da ottimizzare il trasporto dei portatori. L'ottimizzazione della fotogenerazione di carica è ottenibile tramite la costruzione di un'interfaccia in superficie (eterostrutture) o diffusa (cristalli misti). Inoltre è di fondamentale importanza trovare una soluzione al problema della stabilità delle celle fotovoltaiche, che eviti il ricorso all'incapsulamento dei moduli fotovoltaici. Sarà per questo valutata nel dettaglio la degradazione delle performance dovuta ad agenti esterni, in grado di alterare chimicamente il materiale attivo e saranno studiate strategie per evitare tale degradazione, aumentando il tempo di vita e la stabilità di celle fotovoltaiche.
Durata: marzo 2010- febbraio 2012
Coordjnatore: Università Milano Bicocca
Partner: Istituto per lo Studio delle Macromolecole ISMAC CNR Milano Dr. William Porzio
Diodi per illuminazione a luce bianca basati su nuovi complessi organometalliciIn questo progetto si vogliono realizzare emettitori di luce bianca (WOLED) adatti per una fabbricazione industriale a basso costo. Tali dispositivi sono a singolo strato emissivo ottenuto da soluzione e sono quindi basati su l'uso di tecnologia semplice. Si seguiranno due strategie per la realizzazione di diodi:
1. Elettroluminescenza a luce bianca da singolo strato emissivo a drogaggio multiplo.
In questo tipo di dispositivi lo strato emissivo è composto di un materiale conduttore a grande gap drogato con molecole fosforescenti che emettono nel blu, verde e rosso. La sintesi di nuovi emettitori elettrofosforescenti nel blu con leganti organici opportunamente fluorurati è l'obiettivo principale di questa ricerca. Un approccio promettente, che intendiamo seguire, è l'uso di tre complessi dei lantanidi (del Gd3+ per l'emissione blu da parte del legante e del Tb3+ e dell' Eu3+ per l'emissione verde e rossa da parte degli ioni) contenenti lo stesso legante, semplificando così l'architettura del diodo.
2. Elettroluminescenza bianca da ecciplessi
L'elettroluminescenza bianca può essere prodotta dalla formazione di ecciplessi, stati bimolecolari eccitati formati dall'interazione tra lo stato eccitato della molecola drogante con lo stato fondamentale della matrice. La sovrapposizione dell'emissione blu del monomero e di quella allargata e spostata verso il rosso dell'ecciplesso dà luogo ad elettroluminescenza bianca. Intendiamo preparare emettitori fosforescenti nel blu che formino efficientemente gli ecciplessi. Indirizzeremo pertanto la nostra sintesi verso i complessi organometallici planari.
Start Date: 2008 . End Date: 2010
Sponsor: FONDAZIONE CARIPLO
Coordinator: Università Milano-Bicocca (Prof. Francesco Meinardi)
Partner:
ISMAC Milano (Dr. Chiara Botta)
Università degli Studi di Milano (Prof. Dominique Roberto)
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Nuovi sistemi foto-luminescenti nano strutturatiObiettivo del progetto è la preparazione di materiali nanostrutturati innovativi e lo studio delle loro proprietà fotofisiche al fine di individuare una possibile applicazione tecnologica nel campo dei dispositivi ad emissione di luce (organic light-emission devices, OLED) o di apparati di scrittura/lettura su supporto.
Il team di ricerca ha sintetizzato alcune molecole organiche caratterizzate da sistemi aromatici policondensati. Una caratteristica fondamentale di queste molecole è quella di assorbire la radiazione nella banda del visibile o dell'ultravioletto e di riemetterla con intensità e lunghezza d'onda variabile e controllabile. I meccanismi con cui ciò avviene sono la fluorescenza e la fosforescenza. Per quest'ultima, un parametro di grande importanze è il tempo di vita dello stato elettronico eccitato che, nel caso delle molecole sintetizzate, risulta molto lungo. Confinando le molecole in cavità nanometriche in cui sono già presenti ioni di metalli di transizione (come i lantanidi) è possibile altresì ottenere una amplificazione della capacità di emettere radiazione luminosa in queste condizioni (fotoluminescenza).
I possibili sviluppi applicativi di questi sistemi sono numerosi e sicuramente influenzeranno in modo rilevante il campo dei dispositivi optoelettronici (LED, sensori, dispositivi di lettura e scrittura su disco). Oltre al progresso delle conoscenze e la realizzazione di nuovi materiali, l'iniziativa contribuirà alla formazione di giovani ricercatori, con l'obiettivo di trasmettere in seguito il know-how acquisito alle aziende lombarde.
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MATERIALI ORGANICI PER DISPOSITIVI FOTOVOLTAICI ED ELETTROLUMINESCENTI: PROGETTAZIONE, SINTESI, VALUTAZIONEMINISTERO DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIREZIONE GENERALE PER IL COORDINAMENTO E LO SVILUPPO DELLA RICERCA
Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale
PROGETTO DI RICERCA - Anno 2007 - prot. 2007PBWN44
Il progetto si propone di raggiungere come principale obbiettivo lo sviluppo di nuovi materiali organici per dispositivi fotovoltaici ed elettroluminescenti. Il progetto, connotato da un forte contributo di tipo sintetico, mira ad offrire numerose tipologie di composti, ispirate a diversi criteri strutturali, in risposta all'esigenza di materiali con elevate prestazioni. L'esplorazione sistematica sarà rivolta in alcuni casi a modificazioni innovative di sistemi base già noti, mentre in altri casi svilupperà strutture mai valutate in precedenza. Ulteriore obbiettivo del progetto è rappresentato dalla individuazione di protocolli generali di caratterizzazione e valutazione dei materiali per applicazioni in elettroluminescenza e fotovoltaico, che possano essere di validità generale, basati su una sequenza di metodiche che partano dalla caratterizzazione del materiale in soluzione per giungere a quella nel dispositivo. Infine, il progetto si propone di definire, anche con l'ausilio di calcoli teorici, correlazioni proprietà-struttura che possano offrire dei criteri generali di progettazione molecolare di materiali per le applicazioni in oggetto.
Durata: 2 anni
Sponsor: Ministero dell'Università e della Ricerca
Coordinatore Scientifico: Farinola Gianluca, Università di Bari.
Partners: Unità Università di Bari, ISMAC CNR, Università di Genova, Università di Pisa, Roma Tor Vergata.
Responsabile scientifico ISMAC: Silvia Destri
Contatti: Silvia Destri (
[email protected]); Guido Scavia (
[email protected]); Umberto Giovanella (
[email protected]); Mariacecilia Pasini (
[email protected]).
Ruolo di ciascuna unità operativa in funzione degli obiettivi previsti e relative modalità di integrazione e collaborazione. Le cinque unità afferenti raccolgono le competenze nei diversi aspetti ritenuti necessari e complementari per il raggiungimento degli obbiettivi del presente progetto.
1) Sintesi di materiali polimerici e molecolari coniugati e complessi organometallici di varia tipologia e modelling molecolare.
2) Unità di Milano. Sintesi di materiali semiconduttori organici, indagine strutturale e morfologica, fabbricazione di prototipi di dispositivi elettroluminescenti per la valutazione tecnologica dei materiali.
3) Unità. Sintesi organica, in particolare di sistemi molecolari fotopolimerizzabili in grado di auto assemblarsi su superfici metalliche, e modellizzazione molecolare.
4) Unità. Caratterizzazione spettroscopica, in particolare mediante tecniche chiroottiche (dicroismo circolare CD) e di risonanza magnetica nucleare.
5) Unità di (Roma2). Fabbricazione di prototipi di dispositivi fotovoltaici per la valutazione tecnologica dei materiali.
Edited by fabrizio3 - 16/9/2011, 15:57
